PBT玻纖復合材料電子連接器彎曲變形分析

鄧克儉 ，夏姍姍，劉 濱

（廣州賽寶認證中心服務有限公司，廣東廣州 510610）

電連接器作為一種基礎電器元件,用于實現電信號的傳輸和控制以及電子與電氣設備之間的電連接,在航天、電子、通信等行業中應用廣泛。一個復雜的航天系統要求有數以千計的各類電連接器,例如執行某產品發射任務,僅地面設備就需各種電連接器3400多套。電連接器要求在各種惡劣的環境、各種苛刻的條件下可靠地溝通電路、傳遞信息來實現特定的功能,其可靠性直接影響到重大裝備等工程系統能否可靠地工作。據統計,目前各種系統的失效或故障現象中有70%是由元器件的失效而產生的,在這其中又有40%是由電連接器的失效而產生的，因此，電連接器已被列為國內外公認的四種可靠性較差的元件之一,其可靠性也成為國內外的研究熱點，在系統中其他電子元器件可靠性水平不斷提高的今天，連接器的可靠性成為制約系統可靠性提升的一個重要因素[1]。

在電連接器的可靠性分析方面,與其他電子元器件(例如裝備設備等)相比，其失效模式不僅取決于電氣性能,也在很大程度上取決于其機械性能,往往呈多重分布的統計規律,并且由于非恒定的失效率，連接器失效機理有多因素影響且比較復雜,也存在著結構件的形變等導致的失效。本文針對電子連接器彎曲案例從基礎材料方面具體分析了PBT+15%連接器彎曲形變較大的原因。連接器具體失效信息如下：PBT+15%的玻纖材料注塑生產出來的產品在經過波峰焊后彎曲0.2mm～0.5mm，彎曲度彎曲形變較大，PBT+30%玻纖材料注塑生產出來的產品經過波峰焊后彎曲度在0.2mm左右，沒超過0.3mm限值。

1 分析過程

1.1 外觀觀察

樣品典型失效外觀如圖1所示，圖1中連接器上下分為1、2兩部分，發生彎曲形變的為上面的1號部分，1號部分中部發生圖示箭頭方向的凸起，導致1、2兩部分之間存在較大縫隙。目測觀察樣品PBT+15%玻纖和樣品PBT+30%玻纖，結果如圖2所示 。

圖1 樣品失效現象照片Fig.1 Photo of sample failure phenomenon

圖2 連接器外觀照片Fig.2 Photo of the connector

1.2 熱力學分析

選擇相同的測試條件對PBT+15%玻纖產品和PBT+30%玻纖產品的不同位置進行熱分析。結果如圖3～圖6及表1～表3所示。由PBT+15%玻纖產品和PBT+30%玻纖產品的三個位置熔點分布可知，PBT+15%玻纖產品的不同位置在成型過程中存在一定的溫度分布。計算方差和均方差來衡量熔點分布的均勻性，可見相同條件下的第二次升溫三個位置熔點的均方差和方差均較小，而反映產品熱歷史的第一次升溫三個位置熔點的均方差和方差較大，可見產品在模具內的成型過程中，成型環境并不均一，而PBT+15%玻纖產品的方差、均方差均大于PBT+30%玻纖產品，相比之下，PBT+15%玻纖產品不同位置的成型條件均一性更差。熱焓分析結果顯示PBT+15%玻纖熱焓高于PBT+30%玻纖，可知PBT+15%玻纖產品的結晶度高于PBT+30%玻纖產品，高結晶度易引起較大收縮。由于玻纖為無機材料，硬度和強度較高，線性膨脹系數低，在PBT內部一方面可起到增強作用，另一方面可降低產品整體的收縮以及膨脹形變，增加產品的尺寸穩定性，由于PBT+30%玻纖填料含量較高，故其尺寸穩定性較好，PBT+15%玻纖由于較高結晶度和較低含量玻纖而導致較大的內應力和較差的抗形變性能。

表2 樣品熔點（第二次升溫）分析Table 2 Analysis of melting point of samples (second temperature rise)

表3 樣品（第一次升溫）熔融焓分析Table 3 Analysis of melt enthalpy of samples (first temperature rise)

圖3 樣品的熱分析測試位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of thermal analysis test of samples

圖4 樣品PBT+15%玻纖以及PBT+30%玻纖3個位置的第一次升溫DSC曲線圖Fig.4 DSC curves of PBT+15% glass fiber and PBT+30%glass fiber at 3 positions for the first temperature rise

圖5 樣品PBT+15%玻纖以及PBT+30%玻纖3個位置的第二次升溫DSC曲線圖Fig.5 DSC curves of PBT+15% glass fiber and PBT+30%glass fiber at 3 positions for the second temperature rise

圖6 樣品PBT+15%玻纖以及PBT+30%玻纖的3個位置的第一次升溫DSC熱焓分析圖Fig.6 DSC enthalpy analysis diagram for the first temperature rise at 3 positions of PBT+15% glass fiber and PBT+30% glass fiber

1.3 應力應變分析

對兩種產品進行應力應變測試，具體測試條件為：28℃～100℃，升溫速率4℃/min，升溫至100℃后保持3h，結果如圖9所示。由應力應變曲線可知，隨著溫度的升高，兩種樣品均存在膨脹效應，達到100℃后，樣品的應變基本保持穩定不變。PBT+30%玻纖的四個位置應變均為正值，即處于拉伸狀態，而根據應變曲線來看，應變值的排序為10＞11＞12＞9，即圖7～圖9中所示位置，10＞9表明PBT+30%玻纖樣品的右側為中間向上凸起，而11＞12表明左側為中間向下凹陷，主要引起應變的為底部平面位置，在平面上存在向上和向下的兩種方向相反的應變，相互抵消，故而應變較小，與失效現象吻合較好；PBT+15%玻纖的四個位置應變均為正值，即處于拉伸狀態，根據應力應變曲線來看，應變值的排序為14＞16＞13＞15，即右側16＞15中間向下凹陷，左側14＞13中間向下凹陷，左右兩側均為向下凹陷，則合力向下凹陷形變大，造成樣品的較大彎曲應變。由圖9可知，整體上PBT+15%玻纖樣品上四個位置的應變均大于PBT+30%玻纖樣品的相應位置，也表明PBT+15%玻纖產品的尺寸穩定性較差。

圖7 PBT+15%玻纖產品應力應變測試位置示意圖Fig.7 Schematic diagram of the stress-strain test position of PBT+15% glass fiber products

圖8 PBT+30%玻纖產品應力應變測試位置示意圖Fig.8 Schematic diagram of the stress-strain test position of PBT+30% glass fiber products

圖9 應力應變測試結果示意及應力形變曲線圖Fig.9 Schematic diagram of stress-strain test results and stress-strain curve

1.4 掃描電鏡分析（SEM & EDS分析）

對樣品液氮脆斷后利用SEM觀察其內部填料分布，代表性SEM照片如圖10～圖11所示。由SEM照片可知，PBT+15%玻纖產品的填料分布較為稀疏分散，斷面較為平整，而PBT+30%玻纖斷面的填料分布密集，脆斷面較為粗糙，且在靠近表皮的邊緣位置可觀察到玻纖的較多取向（注塑的高度剪切作用產生取向），玻纖取向分布可增強材料抗彎曲應力的能力。

圖10 樣品PBT+15%玻纖產品脆斷面的SEM結果Fig.10 SEM results of brittle section of PBT+15% glass fiber products

圖11 樣品PBT+30%玻纖脆斷面的SEM結果Fig.11 SEM results of brittle section of PBT+30% glass fiber samples

2 結論

PBT+15%玻纖產品玻纖含量低，在材料內部較為分散，其尺寸穩定性較差；成型過程中，PBT+15%玻纖注塑件內部結晶度較高且模具內部成型環境不同導致產品內部產生較大內應力，低溫下內應力被凍結，高溫下內部應力釋放導致產品收縮產生較大彎曲。